Учебное пособие Тольятти Издательство тгу 2013

Виды структурного регулирования
Одним из основных средств обеспечения заданного уровня на-
дежности ЭА при недостаточно надежных элементах является резер-
вирование. Структурное резервирование заключается в том, что в со-
став изделия вводят дополнительные устройства или отдельные узлы, 
предназначенные для быстрой замены (автоматически или вручную) 
аналогичных им элементов основного оборудования. Резервирование 
широко используется в радио и телевещательной аппаратуре, авиаци-
онной, военной и космической технике, системах аварийной сигнали-
зации и жизнеобеспечения.
Степень аппаратной избыточности характеризуется кратностью 
резерва. 
Кратность резерва – это отношение числа резервных эле-
ментов к числу резервируемых ими основных элементов, выраженное 
несокращаемой дробью. Резервирование с кратностью резерва один 
к одному называется дублированным.
Резервирование может быть общим и раздельным. В первом случае 
резервируется все устройство целиком, во втором – его отдельные эле-
менты или группы элементов.
По схеме включения элементов различают постоянное резерви-
рование, мажоритарное резервирование, резервирование-замещение 
с целой кратностью, скользящее резервирование.
Постоянное резервирование – это резервирование, при котором 
используется нагруженный резерв, и при отказе любого элемента 
в резервированной группе выполнение устройством требуемых фун-
кций обеспечивается оставшимися элементами без переключения 
(рис. 1.3).
Рис. 1.3
Устройство содержит n однотипных элементов, которые включают-
ся в работу одновременно. Деление этих элементов на основной и ре-
зервные достаточно условно, поскольку режим работы всех элементов 
может быть одинаков. Отказавшие элементы не восстанавливаются, 

---

30
поэтому устройство работоспособно до тех пор, пока исправен хотя 
бы один элемент.
Вероятность безотказной работы резервированного устройства:
P
p
 (t) = 1 − [1 − P(t)]
n
. (1.6)
Средняя наработка до отказа резервированного устройства:
.
. (1.7)
Постоянное резервирование является единственно возможным в 
устройствах, где недопустим даже кратковременный перерыв в функ-
ционировании. Возможности постоянного резервирования невелики 
и иллюстрируются табл. 1.9.
Таблица 1.9 
Зависимость надежности от числа параллельных элементов
Число элементов, 
n
P
p
(4000)
T
p
, час
1 (без резервирования)
0,67
10
4
2
0,891
1,5
×10
4
3
0,964
1,83
×10
4
4
0,988
2,08
×10
4
Мажоритарное резервирование. Оно является частным случаем 
постоянного резервирования и применяется для отделения истин-
ной информации от ложной, поступающей от отказавших элементов 
(рис. 1.4). 
Рис. 1.4
При мажоритарном резервировании вместо одного используют 
три идентичных элемента, которые подключаются к мажоритарному 
органу 
M. Если все элементы исправны, то на вход М поступают три 
одинаковых сигнала, и такой же сигнал присутствует на выходе 
M. 

---

31
Если один из трех резервированных элементов отказал, то на вход 
М 
поступают два одинаковых истинных сигнала и один ложный. Сигнал 
на выходе 
М будет того же вида, что и большинство одинаковых вход-
ных сигналов. Подобное построение схемы основывается на том, что 
вероятность одновременного отказа двух элементов из трех мала. Чис-
ло элементов в резервируемой группе может быть более трех, но оно 
должно быть нечетным.
Мажоритарное резервирование дает повышение надежности толь-
ко при применении элементов с вероятностью безотказной работы од-
ного элемента 
P
0
(
t) > 0,5.
Резервирование-замещение с целой кратностью – это резервирова-
ние, при котором функции основного элемента после его отказа пере-
даются резервному (рис. 1.5).
Рис. 1.5
Переключение на резервный элемент может осуществляться как 
автоматически, так и вручную. Резервные элементы могут находиться 
в нагруженном или ненагруженном резерве. В первом случае резерв-
ные элементы имеют такую же, как у основных элементов, интенсив-
ность отказа. Перевод резервных элементов в облегченный режим ра-
боты, вплоть до режима хранения, позволяет снизить интенсивность 
их отказа примерно в сто раз. Однако при этом может увеличиться вре-
мя включения резерва. При предположении, что отказать могут толь-
ко основные элементы, средняя наработка на отказ резервированного 
устройства
. (1.8)
Вероятность безотказной работы резервированного устройства
. (1.9)

---

32
Скользящее резервирование. Оно является разновидностью резерви-
рования с замещением (резервирование с дробной кратностью) и при-
меняется для устройств и систем, содержащих несколько однотипных 
элементов (рис. 1.6).
Рис. 1.6
Основным преимуществом скользящего резервирования является 
сокращение числа резервных элементов вплоть до одного.
Устройство состоит из «
m» основных и «n» резервных однотипных 
элементов, причем
 m > n. При отказе одного из основных на его место 
подключается любой из резервных. Резервные элементы могут нахо-
диться в нагруженном или ненагруженном состоянии.
Средняя наработка до отказа устройства со скользящим резерви-
рованием
.
. (1.10)
Вероятность безотказной работы
.
. (1.11)
В зависимости от режима работы резервных элементов различают 
нагруженный, облегченный и ненагруженный резерв. В первом слу-
чае резервные элементы находятся в том же режиме, что и основной, 
и имеют такую же интенсивность отказов.
При облегченном режиме резервные элементы нагружены мень-
ше остальных и интенсивность отказов в период пребывания в резерве 
ниже, чем в период их использования вместо основных.
При ненагруженном резерве резервные элементы находятся в вы-
ключенном состоянии и 
λ = 0.
Резервирование, при котором работоспособность любого элемен-
та устройства, основного или резервного, в случае возникновения от-
каза подлежит восстановлению в процессе эксплуатации, называется 
резервированием с восстановлением. В противном случае имеет место 

---

33
резервирование без восстановления. При резервировании с восста-
новлением отказы не накапливаются, а устраняются по мере их по-
явления, что увеличивает надежность устройства при той же кратнос-
ти резерва.
Выигрыш в повышении надежности увеличивается при переходе 
от резервирования устройства в целом (рис. 1.7,
а) к резервированию 
его отдельных частей (рис. 1.7,
б), причем теоретически более выгодно 
поэлементное резервирование.
Рис. 1.7
Вероятность отказа устройства с отдельным резервированием бу-
дет в m
n-1 
раз реже, чем при общем резервировании. На практике воз-
можности в этом отношении весьма ограничены, поскольку с повы-
шением числа резервируемых элементов резко возрастает сложность 
как основной аппаратуры, так и средств диагностики и переключате-
лей. Поэтому определение количества резервируемых узлов является 
задачей оптимизации.